拱坝结构分析中水荷载施加方法的影响研究

摘要

水荷载是拱坝结构承受的主要荷载，关系到拱坝结构的稳定性与安全性。水荷载施加方法主要包括三种:面力施加、体力施加以及面力与体力结合施加，不同的施加方法分析得到的拱坝结构应力响应不尽相同。为了研究拱坝结构分析中水荷载施加方法的影响，本文基于渗流应力耦合分析理论，利用有限元方法，计算分析不同水荷载施加方法作用下的拱坝应力响应，同时研究了水荷载施加方法对拱坝整体承载力的影响。主要研究内容如下:
　　(1)总结水荷载及其施加方法的研究现状，概括了多孔介质渗流应力耦合分析的研究进展。
　　(2)应用有效应力原理、弹塑性力学和有限元分析等基本理论，建立饱和非饱和多孔介质渗流应力耦合分析数学模型以及有限元分析方程，为应用有限元法进行渗流应力耦合分析做理论铺垫。
　　(3)介绍了有限元分析软件ABAQUS的分析流程及其关于渗流应力耦合分析的理论，阐述了运用ABAQUS进行渗流应力耦合分析的要点。
　　(4)分析三种不同水荷载施加方法:坝面施加静水压力、坝面及库岸岩面施加静水压力、坝面施加静水压力及地基施加渗透荷载。分析了不同水荷载施加方式下拱坝结构的应力与变形，比较分析不同施加方法对坝体应力与位移的影响，结果表明坝面施加静水压力或坝面施加静水压力及地基施加渗透荷载对拱坝的应力与位移响应影响不大，考虑库岸岩面水压后，应力增大会超过30％。
　　(5)考虑坝体自重和温度荷载，分析两种荷载工况:坝面施加静水压力、坝面施加静水压力及地基施加渗透荷载，运用超载法，对拱坝结构进行整体承载力分析，研究了不同荷载工况下坝体应力应变响应及结构安全系数。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 水荷载施加方法

1．1．2 渗流场应力场耦合分析

1．2 混凝土坝水荷载研究发展概述

1．2．1 水荷载种类

1．2．2 水荷载施加方法

1．3 渗流应力耦合分析研究概述

1．3．1 渗流应力耦合作用

1．3．2 渗流场应力场耦合分析研究现状

1．3．3 耦合分析方法研究现状

1．4 本论文主要研究内容

第二章 渗流应力耦合有限元理论

2．1 饱和非饱和渗流应力耦合模型

2．1．1 饱和度与含水率

2．1．2 饱和非饱和渗流定律

2．1．3 饱和非饱和渗流数学模型

2．1．4 孔隙介质力学微分方程

2．1．5 饱和非饱和渗流应力耦合模型

2．2 渗流应力耦合有限元理论

2．2．1 位移和孔隙水压力

2．2．2 应力场方程的离散

2．2．3 渗流场方程的离散

2．2．4 渗流应力耦合有限元方程

2．3 ABAQUS渗流应力耦合实施

2．3．1 ABAQUS在岩土工程的适用性

2．3．2 ABAQUS基本分析流程

2．3．3 基于ABAQUS渗流应力耦合分析

2．4 本章小结

第三章 水荷载施加方法对拱坝应力的影响

3．1 水荷载施加方法及计算工况

3．1．1 面力施加

3．1．2 体力施加

3．1．3 计算工况

3．2 有限元模型与材料参数

3．2．1 拱坝体型

3．2．2 有限元模型与网格剖分

3．2．3 材料参数

3．3．1 坝体位移

3．3．2 坝体应力

3．4 工况二计算结果

3．4．1 坝体位移

3．4．2 坝体应力

3．5 工况三计算结果

3．5．1 坝基渗流场

3．5．2 坝体位移

3．5．3 坝体应力

3．6 水荷载施加方法对拱坝位移与应力的影响分析

3．7 本章小结

第四章 水荷载施加方式对拱坝整体安全度的影响

4．1 非线性有限元分析理论

4．1．1 塑性本构理论

4．1．2 弹塑性增量有限单元法

4．2 超载法在ABAQUS中的实施

4．2．1 Drucker-Prager模型

4．2．2 混凝土损伤塑性模型

4．2．3 计算工况

4．3 荷载工况一分析结果

4．3．1 坝体应力

4．3．2 坝体位移

4．3．3 拱坝结构屈服开裂区

4．4 荷载工况二分析结果

4．4．1 坝体应力

4．4．2 坝体位移

4．4．3 拱坝结构屈服开裂区

4．5 水荷载施加方法对拱坝安全系数影响分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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